Fasen en warmte (Natuurkunde havo), les 2: Examentraining

• New lesson editor
• Natuurkunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Examentraining met 8 vragen: faseovergangen en deeltjes, temperatuur en kelvin, warmte en soortelijke warmte met diagrammen, en dichtheid. Havo natuurkunde, D1.

Smeltend ijsblokje op een warme steen, 2024 (foto: ThoBel-0043, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Examentraining

Fasen en warmte: zo pak je examenvragen aan

Les 2 van 3. Laat leerlingen in tweetallen overleggen bij de open vragen. Image credit: ThoBel-0043 / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Wat ga je kunnen?

Ik kan faseovergangen met deeltjes verklaren, temperaturen omrekenen en rekenen met warmte, soortelijke warmte en dichtheid.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Zo pak je een examenvraag aan

• 1. Lees: wat is gegeven en gevraagd? Zet alles in SI-eenheden.

• 2. Kies: Q = c·m·ΔT, E = P·t, ρ = m/V of T = t + 273.

• 3. Reken: vul in, let op ΔT in K en liters naar m³.

• 4. Controleer: juiste aantal significante cijfers en de eenheid.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Vraagtype 1: faseovergangen en deeltjes

• Smelten, verdampen en sublimeren nemen warmte op; stollen, condenseren en rijpen geven warmte af.

• Bij een faseovergang blijven de moleculen heel: hun afstand en beweging veranderen.

• Bepaal bij een situatie: van welke fase naar welke fase?

Syllabus D1.1.

Bevroren was droogt bij vorst zonder te smelten. Welke faseovergang?

A

Verdampen

B

Condenseren

C

Rijpen

D

Sublimeren

IJs wordt direct waterdamp: vast naar gas is sublimeren. Afleiders: verdampen (zou eerst smelten vereisen), condenseren (gas naar vloeistof) en rijpen (de omgekeerde overgang). Syllabus D1.1.

Wat doen watermoleculen bij verdampen?

De moleculen blijven heel (het blijft water) en komen veel verder uit elkaar te liggen; ze bewegen vrij door de ruimte. Verwachte fout: denken dat het water uiteenvalt in waterstof en zuurstof. Syllabus D1.1: molecuulmodel en faseovergangen.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Vraagtype 2: temperatuur en kelvin

• T = t + 273, en terug t = T − 273.

• Een temperatuurverschil ΔT is in K en in °C gelijk.

• Het absoluut nulpunt is 0 K, ongeveer −273 °C.

Syllabus D1.3.

Reken −40 °C om naar kelvin.

T = t + 273 = −40 + 273 = 233 K. Verwachte fout: 40 + 273 = 313 K of 273 − 40 verkeerd om (−313 K). Controle: 233 − 273 = −40. Syllabus D1.3.

Een gas gaat van 27 °C naar 327 °C. Bereken de stijging ΔT in K.

A

5,7·10² K

B

6,0·10² K

C

3,3·10² K

D

3,0·10² K

ΔT = 327 − 27 = 300 K, dus 3,0·10² K: het verschil is in K en °C gelijk. Afleiders: 300 + 273 (5,7·10²), eindtemperatuur in K (6,0·10²) en eindtemperatuur in °C (3,3·10²). Controle: 27 + 300 = 327. Syllabus D1.3.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Vraagtype 3: warmte en soortelijke warmte

• Q = c·m·ΔT en E = P·t, dus t = Q/P als alle warmte van het apparaat het water opwarmt.

• Gegeven in de vragen: c(water) = 4,18·10³ J/(kg·K).

• Uit een (T,t)-diagram lees je ΔT en t af.

Syllabus D1.3.

Een waterkoker van 2,0 kW verwarmt 1,5 kg water van 15 °C naar 100 °C. Bereken t.

A

2,7·10⁵ s

B

2,7·10² s

C

3,1·10² s

D

3,8·10⁻³ s

Q = c·m·ΔT = 4,18·10³ × 1,5 × 85 = 5,33·10⁵ J. t = Q/P = 5,33·10⁵ / 2,0·10³ = 266 s, dus 2,7·10² s (twee significante cijfers). Afleiders: kW niet omgerekend (2,7·10⁵), 100 als ΔT (3,1·10²) en P/Q (3,8·10⁻³). Controle: 4180 × 1,5 = 6270, × 85 = 532 950; 266,5 × 2000 = 5,33·10⁵. Geen warmteverlies, zoals de vraag zegt. Syllabus D1.3.

Een dompelaar van 200 W verwarmt 0,50 kg vloeistof volgens het diagram. Bepaal c.

A

1,0·10³ J/(kg·K)

B

1,3·10³ J/(kg·K)

C

2,0·10³ J/(kg·K)

D

5,0·10² J/(kg·K)

Lees af: na 200 s is T 60 °C, dus ΔT = 40 K. Q = P·t = 200 × 200 = 4,0·10⁴ J. c = Q/(m·ΔT) = 4,0·10⁴/(0,50 × 40) = 2,0·10³ J/(kg·K). Afleiders: m vergeten (1,0·10³), T = 60 in plaats van ΔT (1,3·10³) en met m vermenigvuldigd (5,0·10²). Controle: 2000 × 0,50 × 40 = 40 000. Image credit: Eigen figuur

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Vraagtype 4: diagram, dichtheid en combineren

• Een vlak stuk in een (T,t)-diagram is een faseovergang.

• Gegeven: ρ(water) = 1,0·10³ kg/m³ en c(water) = 4,18·10³ J/(kg·K).

• Eerst de massa: m = ρ·V, met 1 L = 1,0·10⁻³ m³.

Syllabus D1.1, D1.3 en formule ρ = m/V.

Een vaste stof wordt met constant vermogen verwarmd. Wat gebeurt er tussen 4,0 en 9,0 min?

A

De stof smelt, de deeltjes komen los

B

De stof is vast en de warmte gaat verloren

C

De stof is vloeibaar en koelt vanzelf af

D

De stof is op en de verwarming is uit

Een vlak stuk bij constant vermogen is een faseovergang: het smelten van de stof. Afleiders: warmteverlies (strijdig met het constante vermogen), afkoelen en de verwarming is uit (ook strijdig met de vraag). Syllabus D1.1. Image credit: Eigen figuur

Een emmer met 8,0 L water gaat van 10 °C naar 35 °C. Bereken Q.

A

8,4·10⁸ J

B

8,4·10⁵ J

C

1,2·10⁶ J

D

3,3·10⁵ J

m = ρ·V = 1,0·10³ × 8,0·10⁻³ = 8,0 kg. ΔT = 35 − 10 = 25 K. Q = 4,18·10³ × 8,0 × 25 = 8,36·10⁵ J, dus 8,4·10⁵ J. Afleiders: liters niet omgerekend (8,4·10⁸), eindtemperatuur 35 als ΔT (1,2·10⁶) en begintemperatuur 10 als ΔT (3,3·10⁵). Controle: 4180 × 8,0 = 33 440; × 25 = 836 000.

Welk vraagtype vind jij het lastigst?

1

Faseovergangen en deeltjes

2

Temperatuur en kelvin

3

Warmte en soortelijke warmte

4

Diagram, dichtheid en combineren

Bespreek het meest gekozen type nog een keer.

EXAMENSTOF · D1 · FASEN EN WARMTE

Tips voor op het examen

• Gebruik bij Q = c·m·ΔT het temperatuurverschil ΔT, niet de eindtemperatuur.

• Reken liters om naar m³, gram naar kg en kW naar W voordat je invult.

• Een vlak stuk in een (T,t)-diagram is een faseovergang, een schuin stuk is een temperatuurverandering.